1、Kubernetes是什么
Kubernetes是一個輕便的和可擴展的開源平台，用於管理容器化應用和服務。通過Kubernetes能夠進行應用的自動化部署和擴縮容。在Kubernetes中，會將組成應用的容器組合成一個邏輯單元以更易管理和發現。Kubernetes積累了作為Google生產環境運行工作負載15年的經驗，並吸收了來自於社區的最佳想法和實踐。Kubernetes經過這幾年的快速發展，形成了一個大的生態環境，Google在2014年將Kubernetes作為開源項目。Kubernetes的關鍵特性包括：
- 自動化裝箱：在不犧牲可用性的條件下，基於容器對資源的要求和約束自動部署容器。同時，為了提高利用率和節省更多資源，將關鍵和最佳工作量結合在一起。
- 自愈能力：當容器失敗時，會對容器進行重啟；當所部署的Node節點有問題時，會對容器進行重新部署和重新調度；當容器未通過監控檢查時，會關閉此容器；直到容器正常運行時，才會對外提供服務。
- 水平擴容：通過簡單的命令、用戶界面或基於CPU的使用情況，能夠對應用進行擴容和縮容。
- 服務發現和負載均衡：開發者不需要使用額外的服務發現機制，就能夠基於Kubernetes進行服務發現和負載均衡。
- 自動發布和回滾：Kubernetes能夠程序化的發布應用和相關的配置。如果發布有問題，Kubernetes將能夠回歸發生的變更。
- 保密和配置管理：在不需要重新構建鏡像的情況下，可以部署和更新保密和應用配置。
- 存儲編排：自動掛接存儲系統，這些存儲系統可以來自於本地、公共雲提供商（例如：GCP和AWS）、網絡存儲(例如：NFS、iSCSI、Gluster、Ceph、Cinder和Floker等)。
2、Kubernetes的整體架構
Kubernetes屬於主從分布式架構，主要由Master Node和Worker Node組成，以及包括客戶端命令行工具kubectl和其它附加項。
- Master Node：作為控制節點，對集群進行調度管理；Master Node由API Server、Scheduler、Cluster State Store和Controller-Manger Server所組成；
- Worker Node：作為真正的工作節點，運行業務應用的容器；Worker Node包含kubelet、kube proxy和Container Runtime；
- kubectl：用於通過命令行與API Server進行交互，而對Kubernetes進行操作，實現在集群中進行各種資源的增刪改查等操作；
- Add-on：是對Kubernetes核心功能的擴展，例如增加網絡和網絡策略等能力。
- repliceation 用於伸縮副本數量
- endpoint 用於管理網絡請求
- scheduler 調度器
1、准備好一個包含應用程序的Deployment的yml文件，然后通過kubectl客戶端工具發送給ApiServer。
2、ApiServer接收到客戶端的請求並將資源內容存儲到數據庫(etcd)中。
3、Controller組件(包括scheduler、replication、endpoint)監控資源變化並作出反應。
4、ReplicaSet檢查數據庫變化，創建期望數量的pod實例。
5、Scheduler再次檢查數據庫變化，發現尚未被分配到具體執行節點(node)的Pod，然后根據一組相關規則將pod分配到可以運行它們的節點上，並更新數據庫，記錄pod分配情況。
6、Kubelete監控數據庫變化，管理后續pod的生命周期，發現被分配到它所在的節點上運行的那些pod。如果找到新pod，則會在該節點上運行這個新pod。
7、kuberproxy運行在集群各個主機上，管理網絡通信，如服務發現、負載均衡。例如當有數據發送到主機時，將其路由到正確的pod或容器。對於從主機上發出的數據，它可以基於請求地址發現遠程服務器，並將數據正確路由，在某些情況下會使用輪訓調度算法(Round-robin)將請求發送到集群中的多個實例。
Kubernetes及容器生態系統
典型的流程
創建Pod的整個流程，時序圖如下：
1. 用戶提交創建Pod的請求，可以通過API Server的REST API ，也可用Kubectl命令行工具，支持Json和Yaml兩種格式；
2. API Server 處理用戶請求，存儲Pod數據到Etcd；
3. Schedule通過和 API Server的watch機制，查看到新的pod，嘗試為Pod綁定Node；
4. 過濾主機：調度器用一組規則過濾掉不符合要求的主機，比如Pod指定了所需要的資源，那么就要過濾掉資源不夠的主機；
5. 主機打分：對第一步篩選出的符合要求的主機進行打分，在主機打分階段，調度器會考慮一些整體優化策略，比如把一個Replication Controller的副本分布到不同的主機上，使用最低負載的主機等；
6. 選擇主機：選擇打分最高的主機，進行binding操作，結果存儲到Etcd中；
7. kubelet根據調度結果執行Pod創建操作： 綁定成功后，會啟動container, docker run, scheduler會調用API Server的API在etcd中創建一個bound pod對象，描述在一個工作節點上綁定運行的所有pod信息。運行在每個工作節點上的kubelet也會定期與etcd同步bound pod信息，一旦發現應該在該工作節點上運行的bound pod對象沒有更新，則調用Docker API創建並啟動pod內的容器。
2 Master Node（主節點）
2.1 API Server（API服務器）
API Server主要用來處理REST的操作，確保它們生效，並執行相關業務邏輯，以及更新etcd（或者其他存儲）中的相關對象。API Server是所有REST命令的入口，它的相關結果狀態將被保存在etcd（或其他存儲）中。API Server的基本功能包括：
- REST語義，監控，持久化和一致性保證，API 版本控制，放棄和生效
- 內置准入控制語義，同步准入控制鈎子，以及異步資源初始化
- API注冊和發現
另外，API Server也作為集群的網關。默認情況，客戶端通過API Server對集群進行訪問，客戶端需要通過認證，並使用API Server作為訪問Node和Pod（以及service）的堡壘和代理/通道。
2.2 Cluster state store（集群狀態存儲）
Kubernetes默認使用etcd作為集群整體存儲，當然也可以使用其它的技術。etcd是一個簡單的、分布式的、一致的key-value存儲，主要被用來共享配置和服務發現。etcd提供了一個CRUD操作的REST API，以及提供了作為注冊的接口，以監控指定的Node。集群的所有狀態都存儲在etcd實例中，並具有監控的能力，因此當etcd中的信息發生變化時，就能夠快速的通知集群中相關的組件。
2.3 Controller-Manager Server（控制管理服務器）
Controller-Manager Serve用於執行大部分的集群層次的功能，它既執行生命周期功能(例如：命名空間創建和生命周期、事件垃圾收集、已終止垃圾收集、級聯刪除垃圾收集、node垃圾收集)，也執行API業務邏輯（例如：pod的彈性擴容）。控制管理提供自愈能力、擴容、應用生命周期管理、服務發現、路由、服務綁定和提供。Kubernetes默認提供Replication Controller、Node Controller、Namespace Controller、Service Controller、Endpoints Controller、Persistent Controller、DaemonSet Controller等控制器。
2.4 Scheduler（調度器）
scheduler組件為容器自動選擇運行的主機。依據請求資源的可用性，服務請求的質量等約束條件，scheduler監控未綁定的pod，並將其綁定至特定的node節點。Kubernetes也支持用戶自己提供的調度器，Scheduler負責根據調度策略自動將Pod部署到合適Node中，調度策略分為預選策略和優選策略，Pod的整個調度過程分為兩步：
1）預選Node：遍歷集群中所有的Node，按照具體的預選策略篩選出符合要求的Node列表。如沒有Node符合預選策略規則，該Pod就會被掛起，直到集群中出現符合要求的Node。
2）優選Node：預選Node列表的基礎上，按照優選策略為待選的Node進行打分和排序，從中獲取最優Node。
3、Worker Node（從節點）
3.1 Kubelet
Kubelet是Kubernetes中最主要的控制器，它是Pod和Node API的主要實現者，Kubelet負責驅動容器執行層。在Kubernetes中，應用容器彼此是隔離的，並且與運行其的主機也是隔離的，這是對應用進行獨立解耦管理的關鍵點。
在Kubernets中，Pod作為基本的執行單元，它可以擁有多個容器和存儲數據卷，能夠方便在每個容器中打包一個單一的應用，從而解耦了應用構建時和部署時的所關心的事項，已經能夠方便在物理機/虛擬機之間進行遷移。API准入控制可以拒絕或者Pod，或者為Pod添加額外的調度約束，但是Kubelet才是Pod是否能夠運行在特定Node上的最終裁決者，而不是scheduler或者DaemonSet。kubelet默認情況使用cAdvisor進行資源監控。負責管理Pod、容器、鏡像、數據卷等，實現集群對節點的管理，並將容器的運行狀態匯報給Kubernetes API Server。
3.2 Container Runtime（容器運行時）
每一個Node都會運行一個Container Runtime，其負責下載鏡像和運行容器。Kubernetes本身並不停容器運行時環境，但提供了接口，可以插入所選擇的容器運行時環境。kubelet使用Unix socket之上的gRPC框架與容器運行時進行通信，kubelet作為客戶端，而CRI shim作為服務器。
protocol buffers API提供兩個gRPC服務，ImageService和RuntimeService。ImageService提供拉取、查看、和移除鏡像的RPC。RuntimeSerivce則提供管理Pods和容器生命周期管理的RPC，以及與容器進行交互(exec/attach/port-forward)。容器運行時能夠同時管理鏡像和容器（例如：Docker和Rkt），並且可以通過同一個套接字提供這兩種服務。在Kubelet中，這個套接字通過–container-runtime-endpoint和–image-service-endpoint字段進行設置。Kubernetes CRI支持的容器運行時包括docker、rkt、cri-o、frankti、kata-containers和clear-containers等。
3.3 kube proxy
基於一種公共訪問策略（例如：負載均衡），服務提供了一種訪問一群pod的途徑。此方式通過創建一個虛擬的IP來實現，客戶端能夠訪問此IP，並能夠將服務透明的代理至Pod。每一個Node都會運行一個kube-proxy，kube proxy通過iptables規則引導訪問至服務IP，並將重定向至正確的后端應用，通過這種方式kube-proxy提供了一個高可用的負載均衡解決方案。服務發現主要通過DNS實現。
在Kubernetes中，kube proxy負責為Pod創建代理服務；引到訪問至服務；並實現服務到Pod的路由和轉發，以及通過應用的負載均衡。
3、kubectl
kubectl是Kubernetes集群的命令行接口。運行kubectl命令的語法如下所示：
$ kubectl [command] [TYPE] [NAME] [flags]
這里的command，TYPE、NAME和flags為：
- comand：指定要對資源執行的操作，例如create、get、describe和delete
- TYPE：指定資源類型，資源類型是大小學敏感的，開發者能夠以單數、復數和縮略的形式。例如：
$ kubectl get pod pod1 $ kubectl get pods pod1 $ kubectl get po pod1
- NAME：指定資源的名稱，名稱也大小寫敏感的。如果省略名稱，則會顯示所有的資源，例如:
$kubectl get pods
- flags：指定可選的參數。例如，可以使用-s或者–server參數指定Kubernetes API server的地址和端口。
另外，可以通過運行kubectl help命令獲取更多的信息。
4 附加項和其他依賴
在Kunbernetes中可以以附加項的方式擴展Kubernetes的功能，目前主要有網絡、服務發現和可視化這三大類的附加項，下面是可用的一些附加項：
4.4.1 網絡和網絡策略
- ACI 通過與Cisco ACI集成的容器網絡和網絡安全。
- Calico 是一個安全的3層網絡和網絡策略提供者。
- Canal 聯合Fannel和Calico，通過網絡和網絡側。
- Cilium 是一個3層網絡和網絡側插件，它能夠透明的加強HTTP/API/L7 策略。其即支持路由，也支持overlay/encapsultion模式。
- Flannel 是一個overlay的網絡提供者。
4.4.2 服務發現
- CoreDNS 是一個靈活的，可擴展的DNS服務器，它能夠作為Pod集群內的DNS進行安裝。
- Ingress 提供基於Http協議的路由轉發機制。
4.4.3 可視化&控制
- Dashboard 是Kubernetes的web用戶界面。